干掛石材作為一種具有更好耐久性、更貼近自然、莊重華貴的建筑材料，正在逐步取代早期廣泛流行的大面積采用玻璃的幕墻設(shè)計(jì)，建筑師更加重視如何在新的建筑物上突出建筑的藝術(shù)效果和自然美的效果，尤其是代表實(shí)體的石材幕墻與代表虛幻的玻璃幕墻的有機(jī)結(jié)合更是很多建筑師的首選。
干掛石材幕墻所使用的石材主要為天然花崗巖。花崗巖具有較高的抗壓強(qiáng)度和硬度、耐風(fēng)化、抗腐蝕能力強(qiáng)，耐用年限久，天然色素均勻，是建筑中較為理想的外墻面裝飾材料。天然石材美觀、自然，用天然石材作為外墻裝飾材料的建筑具有穩(wěn)健、古樸的歷史底韻。天然石材已逐漸為大眾所認(rèn)識(shí)和接受，被廣泛地應(yīng)用于各類建筑，其特點(diǎn)是既能營(yíng)造出宏偉壯觀的建筑藝術(shù)效果，又能給人帶來清新舒適的自然觀感。干掛（詞條“干掛”由行業(yè)大百科提供）花崗巖幕墻大約起始于60年代后期，80 年代中期引入中國(guó)，經(jīng)過三十多年實(shí)踐和發(fā)展，在材料和構(gòu)造方面均優(yōu)于濕貼石材幕墻。目前，干掛花崗巖工藝已被廣泛應(yīng)用于大型公共建筑的內(nèi)外墻飾面，尤其在建筑物裙房以及高度在 30m 以下的幕墻工程中使用最為廣泛。
位于北京市五四大街與王府井大街大街交口的西南角的“北京嘉德藝術(shù)中心”項(xiàng)目就是在裙樓（詞條“裙樓”由行業(yè)大百科提供）使用天然花崗石以實(shí)現(xiàn)建筑師特殊的設(shè)計(jì)理念的典型代表。該項(xiàng)目由“北京皇都房地產(chǎn)開發(fā)有限公司”開發(fā),“泰康之家(北京)投資有限公司”投資興建，著名德國(guó)建筑師奧雷·舍人與北京市建筑設(shè)計(jì)研究院合作設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目位于北京市區(qū)的繁華區(qū)段，建筑高度有限高要求，同時(shí)考慮到該項(xiàng)目的實(shí)際使用功能，無論其建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供），還是幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及工程施工，都將面臨諸多困難和高難度的挑戰(zhàn)。
這棟樓位于北京的城市中心處，對(duì)面是美術(shù)館，旁邊是一塊歷史胡同區(qū)，它前面正對(duì)著的就是扎哈·哈迪德設(shè)計(jì)的銀河SOHO和OMA事務(wù)所設(shè)計(jì)的CCTV央視大樓總部，這座坐落于北京故宮附近的“嘉德藝術(shù)中心”將成為中國(guó)最早藝術(shù)品拍賣行的新總部。該建筑嵌進(jìn)北京中心的歷史文脈中，其下部像素化的體量，從紋理、顏色和繁雜的規(guī)模與建筑周邊的城市胡同肌理相融合，建筑上部則通過大尺度玻璃磚與北京現(xiàn)代城市相呼應(yīng)，其建筑肌理與鄰近的胡同及四合院產(chǎn)生共鳴。與皇家的紫禁城相比，磚顯得更具普適性，更能代表民間社會(huì)與其價(jià)值觀念，一種中國(guó)文化中謙卑的、非精英主義觀念。建筑下部的外立面由像灰色石頭一樣的像素化圖案組成，建筑師通過成千上萬的穿孔將中國(guó)歷史上最重要的山水畫“富春山居圖”投映在立面上。
按照建筑師對(duì)外墻的設(shè)計(jì)理念，外墻采用“青磚”樣式的磚石“像素”放置在建筑底部，以元代畫家黃公望的著名山水畫《富春山居圖》為模板，通過精煉提取的數(shù)千個(gè)圓孔像素嵌入墻體之中，創(chuàng)造出抽象的山水輪廓。要實(shí)現(xiàn)上述建筑師的設(shè)計(jì)理念，外墻幕墻的設(shè)計(jì)與施工將面臨巨大的挑戰(zhàn)，這座體量并不大的建筑，其幕墻的設(shè)計(jì)和施工都將顛覆傳統(tǒng)的幕墻設(shè)計(jì)和施工理念。本文僅介紹本建筑底部特殊的干掛石材幕墻的設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)。
干掛石材幕墻位于建筑的下部1層~4層，與上部中規(guī)中矩的矩形玻璃幕墻相比，下部的干掛石材幕墻外表面則形成巨大的反差，不僅立面有突出的凹凸、懸挑與退臺(tái)，而且石材立面上有近四千個(gè)大小不一的孔洞，通過這些孔洞的有機(jī)排列組合，抽象形成了《富春山居圖》的像素。為了這些像素的完整性，石材接縫均須呈菱形布置，并須將41個(gè)幾何體形成連續(xù)貫通的石材拼縫，從而形成“搭積木”式的整體裙樓，由此可以想象，這與其說是建筑裙樓，不如說是一件雕塑藝術(shù)品更為恰當(dāng)。因?yàn)閮H從外表面看，怎么看也找不到一般建筑中的柱網(wǎng)、樓層、采光、通風(fēng)等基本的建筑功能元素，但這又確實(shí)是一個(gè)特殊的建筑裙樓，所有的建筑功能都在這種特殊的外形設(shè)計(jì)下巧妙地實(shí)現(xiàn)了。下面分別就其干掛石材幕墻的結(jié)構(gòu)形式、與主體鋼結(jié)構(gòu)的錨固設(shè)計(jì)、石材幕墻構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面分析其特殊性。
一、干掛石材幕墻的特殊結(jié)構(gòu)形式
本項(xiàng)目干掛石材幕墻的結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)各種干掛石材幕墻形式均不相同，既不是單元式，也不是普通的構(gòu)件式，這些多種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)經(jīng)過多次論證后均被否定，最終選用了一種獨(dú)特的幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即“整體預(yù)制型菱形鋼骨架系統(tǒng)”。
石材面板均呈菱形方向布置
從上圖中可以看出，石材立面為了形成整體的有機(jī)肌理，并便于石材面板開孔，石材面板設(shè)計(jì)為1131×1131的菱形布局，對(duì)角線長(zhǎng)度為1600，故裙樓41個(gè)幾何體按照1600/2=800的模數(shù)進(jìn)行排列組合，形成有機(jī)的幾何整體;特別強(qiáng)調(diào)的是，由于41個(gè)幾何體形成了多個(gè)陰角和陽角，菱形立面所組成的陽角是整體效果的點(diǎn)睛之筆。為了整體效果美觀，建筑師要求進(jìn)行了多次實(shí)物樣板的安裝比較，最終選擇所有的陽角均須采用整體石材進(jìn)行裝配。除此以外，石材面板上無規(guī)律的開孔布置，且孔洞中須安裝深度達(dá)300mm的燈筒透鏡，這些透鏡必須安裝在主次龍骨之間，不能打斷主次龍骨。以上要求完全打破了石材幕墻的結(jié)構(gòu)形式常規(guī)，即常規(guī)的橫平豎直的龍骨框架不能使用，只能依照菱形石材的網(wǎng)絡(luò)方向布置主次龍骨了。
這種特殊的龍骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式無論從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算，還是龍骨加工、安裝等都給設(shè)計(jì)工程師和工廠構(gòu)件加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝增添了很大的難度。為保證加工安裝精度，本項(xiàng)目采用了特殊的鋼骨架布置形式，針對(duì)各不同幾何體的不同立面，對(duì)鋼龍骨進(jìn)行分塊劃分布置，選擇“單元格”，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)“單元格”的主次龍骨采用整體預(yù)制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，以減小現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)量，并大大提高加工及安裝質(zhì)量，有效縮短工期。
石材幾何體各立面展開示意圖
從以上各幾何體的石材幕墻展開圖看，所有的各折面上的石材拼縫均須貫通，全部41個(gè)幾何體的石材拼縫均須貫通，僅此一項(xiàng)要求，就需要在BIM（詞條“BIM”由行業(yè)大百科提供）模型中反復(fù)調(diào)整，直至達(dá)到上述要求。為達(dá)到此目的，主體鋼結(jié)構(gòu)、室內(nèi)各種管網(wǎng)均須建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)的多次反復(fù)配合調(diào)整，并充分借助BIM技術(shù)才得以順利實(shí)現(xiàn)。
菱形布置的石材立面圖
為順利而精確地實(shí)現(xiàn)上述立面效果，經(jīng)過多方案的反復(fù)比選，最后選擇了如下圖所示的“整體預(yù)制菱形鋼骨架”的小單元幕墻結(jié)構(gòu)形式，即按立面規(guī)律將斜向的標(biāo)準(zhǔn)跨設(shè)計(jì)為整體鋼框架單元，主龍骨（詞條“主龍骨”由行業(yè)大百科提供）140×6的熱鍍鋅方鋼管與次龍骨60×4的熱鍍鋅（詞條“鍍鋅”由行業(yè)大百科提供）方鋼管整體預(yù)制焊接組裝，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體吊裝，相鄰兩跨單元鋼框架之間在現(xiàn)場(chǎng)再補(bǔ)充安裝次龍骨。最后形成完整的鋼骨架立面。
二、石材菱形鋼骨架與主體鋼結(jié)構(gòu)的錨固設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，梯間核心筒為鋼柱混凝土筒體結(jié)構(gòu)，混凝土樓板為“幾”形瓦楞板上澆搗混凝土，由于混凝土樓板厚度不夠預(yù)埋件的錨固厚度要求，故不能采用在混凝土樓板內(nèi)預(yù)埋鐵件的方式提供幕墻的錨固點(diǎn)，因此1層~4層石材幕墻連接的錨固支座只能設(shè)置在主體鋼結(jié)構(gòu)的H形鋼梁及H形鋼柱上。
鑒于主體鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，幕墻方案尚未確定，故不能在主體鋼結(jié)構(gòu)上焊接幕墻用的預(yù)埋鋼板，經(jīng)與設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)工程師、監(jiān)理公司、總包方反復(fù)研究討論，并在現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)焊接進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，選擇對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)影響最小的施工方法實(shí)現(xiàn)后錨固鋼板的焊接施工連接，最終確定后錨固鋼板施工須達(dá)到如下要求：
(1)后錨固鋼板選用12厚鋼板肋板焊接在主體鋼結(jié)構(gòu)的H形鋼柱及鋼梁的 翼緣之間的腹板上，不得單獨(dú)焊接在翼緣板邊。
(2)焊縫高度為4~6mm，焊縫必須分段焊接，連續(xù)施焊的長(zhǎng)度不得超過100mm。
(3)施工順序?yàn)檠?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>鋼構(gòu)件中心線對(duì)稱焊接，焊接部位按鋼結(jié)構(gòu)的防腐要求補(bǔ)刷防腐漆及防火涂料（詞條“防火涂料”由行業(yè)大百科提供）。
(4)幕墻與主體鋼結(jié)構(gòu)之間的連接必須為螺栓鉸接，不得為全焊接剛接連接，即幕墻與主體鋼結(jié)構(gòu)之間的連接件必須一端是焊接另一端為螺栓連接;
上述方案確定后，現(xiàn)場(chǎng)即可按實(shí)測(cè)鋼梁的尺寸下料加工錨固鋼板，再按上述要求進(jìn)行焊接，解決了與總包及鋼結(jié)構(gòu)之間的工藝交叉施工問題。實(shí)際施工如上圖所示，在H形鋼梁的上下翼緣板之間焊接豎向鋼板肋板，幕墻連接件支座與此鋼肋板采用不銹鋼螺栓連接，與石材幕墻鋼骨架進(jìn)行焊接連接。
三、菱形干掛石材的點(diǎn)支式系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)
按照建筑師“像素化圖案”設(shè)計(jì)理念，上部漂浮的青磚盒子由裙樓基座承托支撐，基座則由特殊選擇的蒙古黑花崗石按菱形方式通縫連續(xù)布置，所有幾何體外立面均為無密封膠的空縫式設(shè)計(jì)且要求方方正正，不能出現(xiàn)調(diào)坡、斜角等不規(guī)則體型，故所有建筑功能所需要的調(diào)坡、保溫、通風(fēng)、采光、排水、消防等均須在此嚴(yán)格規(guī)則的幾何體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這些繁雜的功能需要另撰文描述，本節(jié)僅說明石材面板的點(diǎn)支式系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)。
基于石材設(shè)計(jì)的基本原理，空縫式干掛石材幕墻需要采用背栓式設(shè)計(jì)工藝來實(shí)現(xiàn)石材面板的固定，石材背后需要設(shè)置防水板實(shí)現(xiàn)石材幕墻的整體防水，在防水板的背面則是保溫層（詞條“保溫層”由行業(yè)大百科提供）、防火層等功能層。由于石材背栓連接是獨(dú)立的點(diǎn)連接，每件石材需要四個(gè)背栓固定連接點(diǎn)，則需要兩支橫梁來固定背栓支座，而不能像其他卡條構(gòu)造的方式共用橫梁。
按照上述的基本設(shè)計(jì)原理，本項(xiàng)目中則需要更多的次龍骨來固定石材背栓，由于石材面板中有近四千個(gè)燈筒開孔，導(dǎo)致石材主次龍骨必須與石材一致呈菱形布置，同時(shí)在實(shí)際施工時(shí)，蒙古黑礦山上無法生產(chǎn)1131見方的花崗石，建筑師最終確定1131見方的石材面板實(shí)際由一分為四的石材板塊密縫拼接而成，因此主次龍骨的布置密度太密，鋼材含量將高達(dá)55公斤/㎡，同時(shí)高密度的焊接也將導(dǎo)致鋼骨架的變形嚴(yán)重。考慮到此工藝的缺陷，針對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際要求，將點(diǎn)支式玻璃幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)理念引用到本項(xiàng)目的石材幕墻設(shè)計(jì)中，通過在主次龍骨上設(shè)置支座鋼板，在每個(gè)支座鋼板上再設(shè)置四個(gè)支座點(diǎn)用于固定石材背栓。按此方法可以減少近一半的次龍骨用量，大大降低了鋼材含量。
本文僅就上述三個(gè)方面分析了本項(xiàng)目裙樓干掛石材幕墻的特殊設(shè)計(jì)方法，而本項(xiàng)目的復(fù)雜之處還遠(yuǎn)不止上述幾個(gè)方面，如裙樓石材幕墻的采光設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)等均非常特殊，在以后的文章中將繼續(xù)闡述。
參考文獻(xiàn)
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